(왼쪽부터) 성균관대 화학공학부 엄숭호 교수, 제1저자 나빈 박사과정생, 공동 교신저자 사만다 BK21 Plus 박사후 연구원

화학공학부 엄숭호 교수 연구팀이 차세대 아연 수계 전지의 성능을 획기적으로 향상할 수 있는 DNA를 이용한 친환경 스마트 합성 방법을 개발하였다고 밝혔다.

이번 연구는 신 생체모사 재료 및 전기화학 연구실의 나빈 박사과정생과 사만다 박사팀 등이 함께 수행하였으며, 버려지는 DNA를 가공하여 결함이 풍부한 이산화망간(MnO2) 음극을 만들고 수성 아연 이온 배터리에 장착하여 고질적인 문제점을 극복하고 그 성능을 극대화하는 등 간단하고 지속 가능한 창의적 전략을 제시하고 있다.

연구팀은 소량의 연어 정자 DNA를 한 단계의 열수 합성 과정 중에 다층 δ-MnO2의 핵생성과 성장을 조절할 수 있게 만들었다. 합성 과정에서 DNA 유래 인산염 및 질소 함유 조각이 망간 이온과 배위결합 하여 발생할 수 있는 결함, 확장된 층 간격, 높은 Mn3+ 함량이 포함되도록 하여 느슨하게 쌓인 나노플레이크가 형성되도록 하였다. 이러한 구조적 특징들은 아연 이온 운송을 크게 개선하고 배터리의 반복 작동 시 구조적 안정성을 유지하게 된다.

연구팀이 개발한 전극은 수용성 아연 이온 배터리 상에서 뛰어난 전기화학적 성능을 보였다. 0.2 A/g에서 293.3 mAh/g의 높은 비 용량을 제공하고, 10 A/g의 높은 전류 밀도에서도 121.6 mAh/g을 유지하며 뛰어난 전개 속도 능력을 함께 입증하였다. 내구성 측면에서도 개발된 음극은 장기적인 안정성이 뛰어나, 2 A/g에서 500회 사이클 후 용량의 86.5%를 유지했고, 10 A/g에서 10,000회 충전-방전 사이클 이후에도 53.8 mAh/g을 공급했으며, 쿨롱 효율은 꾸준히 99.8% 이상을 유지하였다.

전기화학적 분석을 통해 더 빠른 전하 전달 속도, 지배적인 정전용량 기여 및 극한 사이클링 조건에서도 안정적인 임피던스 거동을 확인할 수 있었다. 전극의 실용성을 검증하기 위해서 두 개의 Zn//DNA-MnO2 셀이 실제 LED 소자 전원을 구동할 수 있는지 시험 되어 생체 모방 음극 소재가 실제 에너지 저장 응용에서도 잠재력이 있음을 보여주었다.